無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的擁塞控制研究

王利敏 中國人民解放軍69016部隊(duì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要由具有數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊、電源模塊和傳感器模塊的傳感器節(jié)點(diǎn)組成。存在于網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)均可以執(zhí)行簡單的計(jì)算，感知四周的環(huán)境，并跟無線通信半徑范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)展開信息的傳輸。該無線網(wǎng)絡(luò)不僅高度靈活且功耗低。在感知與傳輸信息的過程中，大多數(shù)節(jié)點(diǎn)都會同時(shí)感知到信息并站在各個(gè)區(qū)域中向匯聚點(diǎn)進(jìn)行傳輸，進(jìn)而共享這些無線信道節(jié)點(diǎn)間的競爭，加大通信干擾量。一旦流量要求高于寬帶，數(shù)據(jù)就會擠壓在節(jié)點(diǎn)緩沖區(qū)并發(fā)生擁塞。所以，在探究傳感器網(wǎng)絡(luò)中有效控制傳輸，控制與規(guī)避擁塞是急需我們解決的一大問題。

1 擁塞控制機(jī)制

擁塞控制機(jī)制的中心思想主要來源于對傳統(tǒng)的擁塞控制協(xié)議的完善。控制的過程主要包含擁塞檢測和擁塞通知以及擁塞處理。

1.1 擁塞檢測和通知

大部分的擁塞控制協(xié)議都會對擁塞的產(chǎn)生進(jìn)行檢測，同時(shí)告知各個(gè)節(jié)點(diǎn)展開處理。根據(jù)擁塞各自的表現(xiàn)形式，人們選擇的檢測方法也不一樣。

1.1.1 緩存區(qū)利用率。節(jié)點(diǎn)緩沖區(qū)內(nèi)暫時(shí)存在的數(shù)據(jù)量在緩沖區(qū)占據(jù)大小之比，該比值充分體現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)忙碌的程度，數(shù)值越大，經(jīng)過該節(jié)點(diǎn)的路徑越易產(chǎn)生擁塞?？墒?，因?yàn)闆]有將無線信道的競爭跟干擾考慮在內(nèi)，僅根據(jù)該指標(biāo)并不能準(zhǔn)確的判斷擁塞。

1.1.2 緩存區(qū)利用率與節(jié)點(diǎn)負(fù)載因子。節(jié)點(diǎn)負(fù)載因子主要指的是節(jié)點(diǎn)下一時(shí)隙全部入口流達(dá)到速率跟在節(jié)點(diǎn)鏈路寬帶中所占據(jù)的比值。負(fù)載因子充分體現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)緩沖區(qū)根據(jù)利用率變化的趨勢與變化速率來對網(wǎng)絡(luò)的擁塞做出判斷。

1.1.3從節(jié)點(diǎn)經(jīng)過的路徑條數(shù)。為確定好擁塞方位，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)經(jīng)過的全部路徑數(shù)，并向源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行報(bào)告，源節(jié)點(diǎn)跟某條路徑中全部節(jié)點(diǎn)的最大路徑數(shù)進(jìn)行比較，進(jìn)而對該路徑做出判斷，哪條路徑上的節(jié)點(diǎn)擁有最多的路徑數(shù)，哪條路徑在傳送數(shù)據(jù)時(shí)就最容易發(fā)生擁塞。

1.2 處理擁塞的方式

處理擁塞主要是為了使那些已經(jīng)存在的擁塞得到緩解。目前控制擁塞的方式主要有分布式和端到端的方式。在網(wǎng)絡(luò)層中，通常會選擇分布式這種方法，一旦有擁塞發(fā)生，我們就會在Sink節(jié)點(diǎn)跟源節(jié)點(diǎn)間創(chuàng)建許多的路徑，并選擇兩條以上的路徑進(jìn)行信息分流，減緩擁塞。

2 無線傳感器中擁塞控制技術(shù)

2.1 分布式控制

大多數(shù)情況下我們會對基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的擁塞展開分布式控制。處理的范圍一般處一跳到兩跳之間。根據(jù)檢測路徑擁塞或者探索節(jié)點(diǎn)，再跟無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自身的特征相結(jié)合，選擇無擁塞跟擁有足夠能量的路由創(chuàng)建過程，并選擇多條路徑將數(shù)據(jù)量進(jìn)行分流，以緩解擁塞。用該種方式來減緩擁塞，通常需要巨大的開銷來對路由進(jìn)行維護(hù)與創(chuàng)建路由，可是由于這種類別的協(xié)議并不需要我們降速，在確保數(shù)據(jù)高優(yōu)先級傳輸上具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2.2 直接序列擴(kuò)頻與擁塞控制算法

關(guān)于層次型分簇路由協(xié)議，主要包括簇內(nèi)網(wǎng)絡(luò)跟簇間網(wǎng)絡(luò)，處理這兩者的擁塞控制方式各不一樣。就簇內(nèi)網(wǎng)絡(luò)來說，每個(gè)節(jié)點(diǎn)跟簇首之間的距離比較短，可以直接進(jìn)行通信，根據(jù)TDMA共享信道，選擇直接序列擴(kuò)頻的方式展開通信即可，簇首根據(jù)信標(biāo)可同步簇內(nèi)時(shí)間。而對于簇間網(wǎng)絡(luò)來說，簇首積累簇內(nèi)的數(shù)據(jù)，再經(jīng)過CSMA/CA方式來競爭信道，多跳會把數(shù)據(jù)傳送到基站中。基于路徑分流的這種控制擁塞算法適合于應(yīng)用在簇間網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議中。

3 探究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中擁塞控制技術(shù)的發(fā)展趨勢

3.1 檢測擁塞的方式

從單一的檢測狀態(tài)發(fā)展成多狀態(tài)多指標(biāo)相結(jié)合的檢測方式，檢測的方式變得更加的合理化，大大提升了判斷擁塞的準(zhǔn)確性?？墒亲罹珳?zhǔn)的衡量擁塞發(fā)生處，迄今為止還沒有一個(gè)定論。連續(xù)挖掘出對擁塞造成影響的基本要素，依然值得我們深入探究。

3.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層擁塞的控制算法

選擇跨層設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的擁塞控制機(jī)制，在MAC層尋找擁塞并確認(rèn)信息，將該信息報(bào)告給相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，再通過網(wǎng)絡(luò)層創(chuàng)建路由，源節(jié)點(diǎn)或者是與之關(guān)聯(lián)的上游節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建分流多路徑，這樣會更加利于優(yōu)化整體系統(tǒng)。與此同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)層跟傳輸層也是密切相關(guān)的，對傳統(tǒng)的傳輸層擁塞控制，跟網(wǎng)絡(luò)層的多徑相結(jié)合創(chuàng)建分流，這是十分必要的，同時(shí)也是時(shí)代發(fā)展的要求。

總而言之，隨著時(shí)代的發(fā)展和進(jìn)步，傳感器網(wǎng)絡(luò)中的擁塞控制技術(shù)會不斷的更新跟進(jìn)步，本文在介紹擁塞控制的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步敘述了其今后的發(fā)展方向，這對我們的探究工作具有極為深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。